（机械制造及其自动化专业论文）基于蓝牙技术的质量检测数据无线传输装置研制.pdf

中文摘要 摘要 质量数据采集是质量检测的重要内容之一，是质量管理工作的基础和前提。 现代质量管理对质量数据采集和传输的基本要求是自动化、实时化、准确化和系 统化。传统的质量数据采集是采用量规和测量仪器，数据采集的效率低、准确性 差。后来发展到数字化量仪，可以在检测时直接将数字数据读取出来或传送到计 算机中。但传统的数字化量仪都采用有线的方式，在有些场合操作极其不便，限 制了其应用。因此急需发展一种无线数据传输技术。 蓝牙技术体现了无线通信技术领域的最新成果，利用其构建数据采集无线传输 系统，实现产品质量检测数据的无线采集和传输，可以为质量管理人员提供准确、 可靠的数据信息，及时保证产品质量，提离产品生产质量和生产效率。将蓝牙技 术应用到产品的质量检测数据采集和传输中，这方面的研究具有重大的现实意义和 广阔的应用前景。全文主要研究内容如下： 对车间产品质量检测数据各种传输技术进行了分析，通过与其它短距离无 线技术相对比，明确了蓝牙技术在质量数据采集过程中的定位，提出了基于蓝牙 技术的质量检测数据无线传输装置研制方案。 对蓝牙技术的体系结构及相关理论进行了概述性的介绍，在分析了蓝牙连 接建立过程的基础之上，迸一步详细介绍了蓝牙h c i ( 主机控制器接口) ，并对其 通信流程进行了研究。 研制了质量检测数据无线传输装置硬件和软件系统，利用基于蓝牙内嵌式 模块的蓝牙开发平台，初步实现了数字化游标卡尺通过利用蓝牙模块和蓝牙开发 平台的无线数据通信。 对基于蓝牙技术的质量检测数据无线传输装置进行了测试，并在p c 上对 质量数据进行了直方图、趋势图分析，提出了展望。 关键词：蓝牙，软硬件协同设计，h c i ，质量检测，无线传输装置 英文摘要 t h eq u a l i t yd a t aa c q u i s i t i o ni sa ni m p o r t a n tco m p o n e n to fq u a l i t yd e t e c t i o n , t h e f o u n d a t i o na n dp r e r e q u i s i t eo ft h eq u a l i 哆m a n a g e m e n t m o d e mq u a l i t ym a n a g e m e n t r e q u i r e st h eq u a l i t yd e t e c t i o nd a t aa c q u i s i t i o nm u s tb ea u t o m a t i c ，r e a lt i m i n g , a c c u r a t e a n ds y s t e m i c t h et r a d i t i o n a lq u a l i t yd e t e c t i o nd a t aa c q u i s i t i o ni sr e a l i z e db yg a u g e s a n dm e a s u r a b l ei n s t r t t m e n t s ，a n di th a sp o o l e t f i e i e n e ya n di i c c u i 硼j ot h e nd i g i t i z e d i n s t a - u m e n t sw e r ed e v e l o p e d , t h e yc 锄r e a l i z en 埔a s i 玳a n dr e a dt h ed a t ao u to rt r a n s m i t t h e mt oc o m p u t e r sd i r e c t l y b u tt h et r a d i t i o n a ld i g i t i z e di n s t r t m l e n t sa t ew i r e da n d i n c o n v e n i e n tt ou s c ，t h e s el i m i tt h e i ra p p l i c a t i o n t h e r e f o r e , i ti si m p e r a t i v et od e v e l o p aw i r e l e s st e c h n o l o g yt ol a - a n s m i tt h em e a s u r e dd a t a t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi st h en c w e - h s ta c h i e v e m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d o m a i n u s i n gi tt oc o n s l l l l c tw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，d a t a l r a n s m i s s i o nt r o u b l e sc a u s e db y ，i r e sw o u l db eo v c r c o m c m o r e o v e rt h eb l u e t o o t l a p r o d u c t sh a v es u c h c h a r a c t e r i s t i c sa sl i t t l ev o l u m e 1 0 w p o w t xc o n s u m p t i o n , c o n v e n i e n tt oc a r r ya n df l e x i b l et ou f l c t h e s em a k es y s t e m sm o l ec o n v e n i e n tt oi n s t a l l , d e b u ga n dm a i n t a i n a b l e a n dt h e ns o l v em a n y l r o u b l e sc a u s e db yw i r i n gl r a n s m i s s i o n t h em a i nc o n t e n to ft h i st o p i ci sc o m b i n i n gt h eb l u e t o o t l lt e e l m o l o g yw i t l ld a t a a c q u i s i t i o nt e c h n o l o g y t ob eq u a l i t yd e t e c t i o nd a t a a c q u i s i t i o n a n dw i r e l e s s t r a n s m i s s i o nm o d u l e , d e s i g n i n gp o r t a b l ep r o d u c t sw h i c hh a v ec h a r a c t e r i s t i c so fl i t t l e v o u m e , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n , a n dc o n v e n i e n tt oi n s t a l la n ds e i v i r _ 七i nm a n y d o m a i n s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c e , w i r ep r o d u c t ss h o u l db er e p l a c e db y w i r e l e s s0 1 1 c s s ot h i sr e s e a r c hh a ss i g n i f i c a n tp r a c t i c a lv a l u ea n dv a s ta p p l i c a t i o n p r o s p e c t t h i sa r t i c l es t u d i e st h ea p p l i c a t i o no f t h e1 3 1 u e t o o t l at e c h n o l o g yi ni nd o m e s t i ca n d 南r e i 鲈m a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s ef i r s t l y , a n dt h e np r o p o s e sa p p l i e dt h eb l u e t o o t h t e c h n o l o g yi nl r a n s m i t t i n gp r o d u c t i o nq u a l i t yd e t e c t i o nd a t aw i r e l e s s l y b yas e r i e so f r e s e a r c h , i ti sp r o v e dt h a tt h eb l u e t o o t ht e e l a n o l o g yi sh e l p f u lt ot h es o l u t i o no ft o o m a n yw i r e s 。c o m p l i c a t e dc i r c u i t r y , p o o rr e a lt i m i n ga n dr e l i a b i l i t y t h i sw i l lr 1 3 a k ca r e l i a b l ef u n d a m e n t a lt oq u a l i t yd e t e c t i o nd a t aa n a l y s i sa n dd e c i s i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i st o p i c 黜f i t sf o l l o w s ： f i r s t l y , e l a b o r a t i n gt h er e l a t i o n so f w i r e l e s sd a t ad e t e c t i o na n dq u a l i t yg u a r a n t e e , s u m m a r i z i n gt h er c s e a r e l aa n dd e v e l o p m e n tp r e s e n ts t a t e so ft h eb l u e t o o t hw i r e l e s s i l l 重庆大学硕士学位论文 q u a l i t yd e t e c t i o nd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , s t u d y i n gt h es y s t e m i ca r c h i t e c t u r ea n d c o r r o l a t i v eb a s i st h e o r yo ft h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , a d v a n c i n gt h er e s e a r c hs c h e m e , 卸枷t e ：c t i 鹏o f h a r d w a r ea n ds o i h v a r e f l o wo f d e v e l o p m e n ta n dt h er e l a t e da l g o r i t h m w h e n a p p l y i n gt h eb l u c t o o t ht e c h n o l o g yi np r o d u c tq u a l i t yd a t aw i r c l 鼯st r a n s m i s s i o n s e c o n d l y , 0 1 1t h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dr 鹤e a r 谢n gt h eb l u v t o o t hl o w e rp r o t o c o l ， t h i st o p i ce l a b o r a t e st h ef l o wa n dr e a l i z a t i o nm e t h o d so f h c iu a r tt r a n s m i s s i o nl a y e r a m o n gt h eb l u e t o o t hm o d u l e s ，t a k e se m p h a s i so nt h er e s e a r c ho fh c lw h i c hb a s e do n j i n o ub l u e t o o t hd e v e l o p m e n tp l a f f o r m t h i r d l y , u s i n gt h eb l u e t o o t hd e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dt h eb l u e t o o t hi n - l i n e m o d u l e , d e v e l o p st h eb l u 融o o t hq u a l i t yd e t e c t i o nd a t at r a n s m i t t e rw h i c hf a c e d d i g i t i z e dv e r n i e rc a l i p e r , r e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd i g i t i z e dv e r n i e rc a l i p e r a n dt h eb l u e t o o t hd e v e l o p m e n tp l a t f o r mp r i m a r i l y f i n a l l y , 8 u m m a r i z e st h eb l u c t o o t hw i r e l e s sq u a l i t yd e t e c t i o nd a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m , a n dm a k es o m ep r o s p e c t k e y w o r d s ：b l u c t o o t h , s y n e r g i s t i cd e s i g no f h a r d w a r e a n ds o f t w a r e , h c i q u a l i t yd e t e c t i o n , w i r e l e s st r a n s m i t t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：密1 式 签字日期：加7年月，。目 l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( i 刀。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：善1 舐 签字日期：枷7 年乡月日 翮虢马k 井嫦、 签字日期：- t j , , 0 7 年f 月日 签字日期： 年6 月日 i 绪论 l 绪论 1 1 引言 在企业的经营环境日趋复杂、市场竞争日趋激烈的今天，质量信息对企业越 来越重要，企业对产品质量信息采集的要求也越来越高。随着信息技术和通信技 术的发展，质量检测数据采集及传输技术已在制造企业质量监测与控制中发挥着 越来越重要的作用。其中，产品质量检测数据传输技术也随着通信技术的发展而 迅速发展，当前热点之一是集中在质量数据的无线传输领域【l 】。无线通信领域中 蓝牙技术的出现，能在一定程度上解决产品质量检测数据传输中的一些问题( 比 如灵活地、及时地跟踪和发现产品质量问题) ，从而实现对质量检测数据的准确采 集和有效分析，从而最终保证产品质量。 1 2 数据检测与质量保证 为提高产品生产质量和生产效率，减少企业因为不能及时准确监测到产品的 生产状况而导致巨大损失，必须对反映产品生产质量的重要参数进行检测。质量 检测数据采集是现代企业质量管理的基础，其主要表现在数据的真实性、时效性、 灵活性、可移动性和利用率等方面。企业中产品质量数据采集的传输技术大致可 分为三类，第一类是传统的手工检测，然后将数据记录在纸上，再录入计算机， 这种采集方式在需要即时获取大量的产品质量数据时，效率很低，实时性差，容 易受采集人员主观的影响；第二类是有线方式，可通过传输线和网络直接将测量 数据送入计算机或主控制中心。第三类是无线数据传输方式，该方式是为了解决 现场产品质量数据采集由于连线繁多、灵活性差等问题而出现的。 经过分析研究，发现不少企业在质量检测数据通过有线方式传输存在的主要 问题如下： 有线数据采集关键点数限制，导致数据采集和处理的滞后性，实时性差， 容易造成批量性报废和返工现象 2 1 ； 质量检测数据采集不灵活，大量质量数据得不到有效利用； 质量检测数据采集移动性差，有些现场质量数据不容易采集； 通信线缆比较复杂，影响现场数据采集设备布置与数据测量； 现场布线成本高、耗费大，不利于节约成本； 总之，产品质量检测数据传输的准确性与可靠性是保证产品质量的基础和前 提，只有把产品质量数据及时、准确、灵活地采集到，才能准确有效地监测产品 的生产过程，及时发现存在的质量问题，从而在源头上保证产品质量。 重庆大学硕士学位论文 1 3 数据采集与传输技术概述 1 3 1 数据采集传输技术 本文主要对在生产制造车间中的产品质量检测数据采集传输技术进行研究。 在企业车间，产品质量检测数据的采集通常需要使用测量仪器，测量仪器用 来监控生产状况，是企业生产现场必不可少的检验设备之一。制造企业一般都拥 有大量质量检测仪器，如：各种专业检测设备、通用数字化检测仪器、专用量规 等。这些仪器按自动化程度，大致可分手工量仪和数字化检澳0 设备两类。 在生产现场中，有很大一部分检测数据( 主要是几何尺寸和形位公差) 是采用 手工方式完成采集的( 部分重要数据需采用三坐标测量仪) ，其中应用范围最广的 有专用量规和目测式量仪。例如，大批量生产中常采用各种专用量规和目测式量 仪。操作人员在操作时，需要手工操作量规或量仪，“目测”量规的止通”状态或 计量仪( 千分尺、游标卡尺、千分表等) 的读数，再把结果记入专用的表格或利 用键盘把数据送入计算机处理。这种信息采集方式简单、经济，但花费时间长， 检测精度不高( 由于读数误差) ，数据录入时也容易出错。 为提高产品质量数据检测速度与精度，企业还使用通用的数字化检测仪器和 专用量仪来对产品质量数据进行采集。这些检测仪器通常具有操作人员在使用时， 检测结果不需要手写采集，而是由仪器自动地送入数据处理装置存储起来。然后 再通过一些线路如串口线、u s b 线、网线等将数据传输到主控机或服务器上。这 种采集传输方式是企业车间产品质量数据测量的主流，不过，这种方式在对测量 需要多点测量的大批量产品质量数据时，存在着连线多、线路比较复杂、灵活性 差等问题。 随着通信技术的发展，有些测量设备可以将采集到的产品质量数据可以通过 无线方式将数据传输到主控制设备或服务器上，比如一些三坐标测量机还具备光 纤通信接口，数据可以通过光纤高速实时传输到服务器上。还有一些仪器比如条 码扫描器利用无线射频技术对质量数据进行采集，这种测量是一种比较灵活非接 触式测量，不过需要在产品上标注条码标签，成本比较高，在一定程度上限制了 其使用范围p j h 。 总之，企业中通过传统的记账方式和线路比较复杂的有线传输方式来采集产 品质量数据，存在着以下一些问题： 在数据传递过程中存在失真现象，造成质量数据有效性失控，不利于基于 事实的决策； 由于数据采集和处理的滞后性，实时性差，容易造成批量性报废和返工现 象； 2 1 绪论 质量检测数据采集不灵活，大量质量数据得不到有效利用； 质量检测数据采集移动性差，有些现场质量数据不容易采集； 通信线缆比较复杂，影响现场数据采集设备布置与数据测量，延长了产品 存在问题的时间，导致更多的损失； 现场布线成本高、耗费大，不利于节约成本。 为了有效采集产品质量数据，企业车间对产品质量检测数据采集与传输技术 提出了更高的要求，比如不需要复杂的线缆传输就可以灵活方便地将数据传送到 主控制端或信息汇总处理中心。无线技术的迅速发展给这种测量要求提供了可能， 如何利用无线技术来使测量设备灵活方便地将质量检测数据发送翌l 主控端或处理 中心，这便是本文的主要研究工作内容。 1 3 2 各种短距离无线传输技术比较 由上节所述可以看到，质量数据通过有线传输并不能完全满足企业车间对产 品质量数据检测的要求。为有效克服有线传输的连接线缆复杂、移动性差、采集 不灵活等缺点，我们提出把无线传输技术应用到质量数据传输过程中的思路。 目前使用比较广泛的短距离无线通信技术有红外、i e e e s 0 2 11 、h o m e r f 、蓝 牙等几种，这几种无线传输技术的比较见表1 1 p j t o 。 表1 1 红外、i e e e 8 0 2 1 1 、h o m e r f 、蓝牙技术相关比较 t a b l e1 1t h ec o m p a r i s o no f i n f r a r e d 、i e e e 8 0 2 1 1 、h o m c r fa n db l u e t o o t h 工作频段 典型传输速率( b i f f s ) 传输距离 主要应用领域 红外线鼠标，红外 线打印机，红外线 红外技术 4 3 0 旺k1 1 5 k 、4 m 、1 6 ml m 2 m 键盘，设备互联。 信息网关 2 4 g h z l m 、2 m 、5 5 m 、1 1 m 、 办公室局域网和 正e e 3 0 2 1 1( 8 0 2 11 a 1 0 0 m 几百米 5 4 1 幢 校园网 为5 g ) h o m e r f 2 4 g h z 1 6 m 、1 0 m5 0 m 家庭网络 话音擞据的接 蓝牙技术2 4 0 h z 7 2 l k 、l m 、1 2 m1 0 m 1 0 0 m 入、短距离控制、 外围设备互联 红外技术( i r d a ) i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由红外线数据标准协会制 订的一种无线协议( 删胁硼d a ma s s o c i a t i o n ( g e 步b 线数据标准协会) 该组织成立于 3 重庆大学硕士学位论文 1 9 9 3 年，是一个致力于建立无线传播连接的国际标准的非营利性组织，目前在全 球拥有1 6 0 个会员) 。h i ) a 已经是一套标准，i r 收，发的组件也是标准化产品。现 行的k d a 传输速率为最新v f i r 的1 6 m b p s ，相比原来f i r 的4 m b p s 快了4 倍。 接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。并且其硬件及相应软件技术都已比较成 熟。不过，红外传输是一种点对点的传输方式，不能离的太远，要对准方向，且 中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度。 i e e e 8 0 2 1 1 i e e e s 0 2 1 1 是i e e e ( 电气和电子工程师协会) 制定的一个无线局域网标准， 主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户与用户终端之间的无线接入。 i e e e 8 0 2 1 l 业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2 m b p s 。由于 i e e e s 0 2 1 l 在速率上的不足，i e e e 又相继推出了i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 l a 这 两个新的标准。i e e e 8 0 2 1 i b 使用开放的2 4 g h z 直接序列扩频，最大数据传输 速率为l l m b p s ，无需直线传播( 其实际的传输速率在5 m b p s 左右) 。i e e e 8 0 2 1 l b 使用动态速率转换技术，当射频情况变差时，数据传输速率降低为5 5 m b p s 、2 m b p s 甚至1 m b p s 。且当工作在2 m b p s 和1 m b p s 速率时可向下兼容i e e e 8 0 2 1 1 。 i e e e 8 0 2 11 b 的使用范围在室外为3 0 0 米，在办公环境中则最长为1 0 0 米。使用 与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有 效使用。i e e e 8 0 2 1 l a 工作在5 g h zu - n - i 频带，从而避开了拥挤的2 4 g h z 频段。 物理层速率可达5 4 m b p s ，传输层可达2 5 m b p s 。采用正交频分复用( o f d m ) 的 独特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口、1 0 m b p s 以太网无线帧结构接 口和t d d t d m a 的空中接口，支持语音、数据、图像业务。一个扇区可接入多 个用户，每个用户可带多个用户终端研。i e e e8 0 2 1 1 并不能保证不同制造商产品 之间的互操作性。也就是不同厂商的产品有可能在很近的范围也无法识别和通信。 h o m e r f h o m e r f 专为家庭网络设计，是i e e e s 0 2 1 1 与d e c t ( 数字增强型无绳通信 标准) 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。与i e e e 8 0 2 1 l b 一样，h o m e r f 同样使用开放的2 4 g h z 频段。采用跳频扩频( f h s s ) 技术，跳频速率为5 0 跳 秒，共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道。调制方式为恒定包络的f s k 调制，分 为2 f s k 与4 f s k 两种( 注：采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和 衰落) 。2 f s k 方式下，最大数据的传输速率为1 m b p s ：4 f s k 方式下，速率可达 2 m b p s 。在新的h o m e r f2 x 标准中，采用了w b f h ( w i d eb a n df r e q u e n c y h o p p i n g ) ，宽带调频) 技术来增加跳频带宽，由原来的1 m h z 跳频信道增加到 3 m h z 、5 m h z ，跳频的速率也增加到7 5 跳，j 眇，数据峰值达到1 0 m b p s 。 1 绪论 蓝牙技术 1 9 9 4 年爱立信( e r i c s s o n ) 公司发起了一项研究，旨在在移动电话及其附件之 间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口，即蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术。利用蓝 牙技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端 设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与i n t e r n e t 之间的通信，从而 使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓 宽道路。 蓝牙1 0 规范中公布的主要技术指标和系统参数如表1 2 所示，蓝牙技术的特 点是跳频频率高，采用跳频扩谱技术以及鉴权加密技术来保证蓝牙传输不受干扰， 蓝牙使用内制在9 x 9 平方毫米微芯片上的短程射频链接，工作在2 4 g h zi s m ( 工 业、科学、医学) 频段i s 。它的一般连接范围是1 0 米，通过扩展可以达到1 0 0 米；不限制在直线范围内，甚至设备不在同一阅房内也能相互链接；以点对多点 的方式链接多个设备，最多可达7 个，形成一个个人领域( p a n ) 的网络。 表1 2 蓝牙技术具体指标 t a b l e l 2b | u e t o o t hp a r a m e t e r 工作频段 2 4 0 2 4 8 0 g h z 跳频速率1 6 0 0 次妇 双工方式全双工，t d d 时分双工工作模式 p a r k h o l d | s n i f f 业务类型支持电路交换和分组交换数据连接面向连接业务s c o ，无连 业务方式接业务a c l 数据速率1 m b s纠错方式 1 3 f e c ，2 3 f e c ，a r q 非同步信道速率 非对称连接7 2 1 5 7 6 k b s 。鉴权采用反应逻辑算术 对称连接4 3 2 6 k b s 信道加密采用0 位、4 0 位、6 0 位 同步信道速率 6 4 k h ，暑密钥 功率美国f c c 要求 语音编码连续可变斜率调制c v s d 0 d b m ( 1 m w ) ，其他国家可 方式 扩展为1 0 0 r o w 一般可达1 0 1 0 c m ，增 跳频频率数7 9 个频点m h z发射距离加功率情况下可达1 0 0 m 几种短距离无线传输技术比较 通过对以上无线技术的特点及具体指标进行分析，我们提出，将蓝牙技术应 5 重庆大学硕士学位论文 用到产品质量数据的采集与无线传输过程中，可以灵活地、方便地、可移动性的 对质量数据进行测量。本课题选择蓝牙技术来实现质量数据无线传输是因为： 蓝牙与i e e e 8 0 2 1 l b 一样，使用2 4 g h z 频段，采用跳频扩频( f h s s ) 技术 ( 注：跳频是蓝牙使用的关键技术。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；但在建立蓝牙链路时则提高为3 2 0 0 尉哳少) 。以2 4 5 g h z 为中心频率，采用7 9 个间隔为i m h z 带宽的频点来实现跳频。 由于使用比较高的跳频速率，蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。在发射带宽为 i m h z 时，其有效数据传输速率为7 2 1 k b p s 。另外，i e e e 8 0 2 1 1 不能保证不同制 造商产品之间的互操作性，而蓝牙技术首先强调产品的互通性和互操作性。 与i r d a 相比，蓝牙支持点到点和点到多点的连接，使用无线方式将多个蓝牙 设备连成一个微微网，多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微 网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。而i r d a 是一种视距传输技 术，也就是说在多个具有i r d a 接口的设备之间传输数据，中阃就不能有阻挡物， 这在两个设备之间是容易实现的，但在多个设备之间传输数据就必须彼此调整其 位置与角度等。其次，i r d a 设备的核心部件红外线l e d 是一种不耐用的器 件，频繁使用会令其使用寿命大大缩短。而蓝牙技术本身是就是一种无线电，具 有全方位特性和穿透性，能够覆盖更大的范围，应用领域比红外更广泛。 与h o m e r f 相比，跳频是蓝牙使用的关键技术。对应于单时隙分组，蓝牙的 跳频速率为1 6 0 0 跳秒；对应于时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高 为3 2 0 0 蹦秒。以2 4 5 g i - i z 为中心频率，来得到7 9 个1 m h z 带宽的信道。由于使 用比较高的跳频速率，使蓝牙系统具有较高的抗干扰能力。而因为h o m e r f 技术 没有公开，目前只有几十家企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有 欠缺，因此注定它没有广泛的应用前景。蓝牙技术不仅可以应用到家庭网络，还 可以应用到工控场合等更广泛的领域。 总的来说，i e e e8 0 2 1 l 比较适用于办公室中的企业局域网，h o m e r f 适用于 家庭无线局域网，而蓝牙技术则可以应用于包括企业和家庭在内的很多场合的短 距离无线传播【2 l 。蓝牙技术传输信号稳定，安全性好，能使质量数据采集不局限 于线缆的束缚，更适用于需要多点大批量数据测量和检测的领域。越来越成熟的 蓝牙模块生产技术，更是为将蓝牙技术应用到企业车间质量检测数据无线采集与 传输过程中的思路提供了条件和保证。 1 4 蓝牙技术的研究和应用现状 1 4 1 蓝牙技术的研究现状 蓝牙技术的迅速发展和相关产品的面世，给信息产业的快速增长带来了新的 6 1 绪论 经济增长点。目前，蓝牙技术已在很多国家诸多领域实现了应用，蓝牙的使用范 围己不仅仅局限于手机、笔记本电脑、台式电脑及p d a ，蓝牙收发器已经越来越 多地嵌入到了从p c 机到工业设备的各种设备中。蓝牙技术正在成为短距离无线 数据通信技术领域的主流技术，并被誉为“新时代的经济引擎”，目前已经有 e r i c s s o n 、m o t o r o l a 、n o k i a 等国际著名公司宣布将支持蓝牙技术的推广和研发。 在国内，合肥工业大学c i m s 研究所制定了一套人机协同的车间数字化制造 模式整体方案，该方案建立在无线移动通信基础之上，由车间计划管理层、现场 调度层、设备层三个层面组成。车间管理层配置车间数据库服务器，w e b 服务器， c a d c a p p c a m 工作站和计划调度工作站，现场调度层对车间层制订的调度计 划实行实时监控、实时反馈和调整，设备层是实现基于w t f i 和蓝牙无线通信技 术的新型数控系统。其中，新型开放式数控系统由两部分构成：一部分是可移动 的掌上数控系统( p a l mc n c ) ，另一部分则安装于机床上，完成传统的运动控 制和p l c 功能，称为机床控制器。两部分之间通过蓝牙( b l u e t o o t h ) 接口实现无 线通信【3 1 。文献【6 】提出将蓝牙技术应用与测试与监控系统中，通过构建蓝牙无线 传感器网络，实现测试与监控系统的无线化和数字化。文献【5 】讨论了蓝牙技术在 嵌入式便携设各中的应用，设计了嵌入式便携终端的硬件系统结构，并给出了各 模块的实现方案，重点讨论了蓝牙通讯的实现。文献【6 】提出将蓝牙技术应用于测 试与监控系统中，通过构建蓝牙无线传感器网络，实现测试与监控系统的无线化 和数字化。文献【7 】针对传统的数据采集分析系统存在着数据连线麻烦、可靠性不 高等问题，提出了利用蓝牙技术实现的数据采集检测系统方案，并设计了基于虚 拟仪器技术的l a b v i e w 软件来编制数据的采集和分析系统。文献【8 】利用爱立信 的蓝牙模块r o k1 0 10 0 7 在l i n u x 下用c 语言实现了蓝牙协议栈的h c i 、 l 2 c a p 、s d p 、r f c o m m 这四层核心协议以及局域网访问( l a p ) 和拨号上网这 两个应用框架。最终实现了两台p c 通过蓝牙无线链路与数据接入点建立连接从 而实现无线地接入访问局域网和拨号上网。文献【1 0 】介绍了蓝牙技术中主控制器 接口( h c i ) 协议及其在蓝牙系统中的应用，讨论了在点对点的嵌入式蓝牙系统 中，实现串口通信时使用h c i 命令对蓝牙硬件进行访问的方法，并给出了建立点 对点蓝牙系统的例子。文献【1 1 】主要对在实现点对多点蓝牙系统时遇到的问题做 了一些探讨，该文献指出各硬件组成部分之间的蓝牙协议栈分块主要取决于蓝牙 产品的带宽要求，运行于开源操作系统之上的开源蓝牙协议栈将会作为一种有效 的实现蓝牙微微网的解决方案。文献【1 3 】针对蓝牙技术在嵌入式设备中的应用提 出了一些简化方法，主要包括分离主从设备、减少蓝牙数据包类型、取消一些特 定应用中的蓝牙安全性保证、减少蓝牙操作模式类型、简化一些复杂功能选项等 等。通过对蓝牙技术的简化，达到蓝牙设备复杂性与功能性的折中。文献【1 4 】介 7 重庆大学硕士学位论文 绍了b l u c t o o t h a s i c 内部结构、特性以及接口逻辑和嵌入式应用实例，由b l u c t o o t h 基带控制器与无线射频收发器接口组成的b l u c t o o t h 模块，通过u a r t p c w 和 u s b 向数字和语音设备提供全兼容的b l u c t o o t h 接口，可方便地构成b l u c t o o t h 设 备。文献 1 5 】介绍了一种嵌入式蓝牙系统开发方法，具体给出了基于c s r 蓝牙单 芯片的嵌入式蓝牙系统硬件结构和软件结构，除给出协议栈外，还具体介绍了用 户程序中通用功能的程序编制。文献【2 2 】则针对蓝牙在工业现场监测中的应用， 提出将蓝牙技术作为总线的传输通道，设计了一种蓝牙网关，用于实现与工业现 场中总线之间的互联。文献【2 4 】基于蓝牙标准及其l a n 接入应用模型，给出了两 种版本的蓝牙l a n 接入设备( l a p ，l a na c c e s sp o i n t ) ，用以实现与各种厂家 生产的蓝牙设备进行互联互通。文献【2 3 】描述了在家庭中利用蓝牙散射网实现对 信息家电集中控制的解决方案，对其中最具代表性的最小微微网单元蓝牙子 系统的具体实现做了详细描述。在充分考虑到家电的处理器资源限制和敏感的成 本因素后，该子系统使用特定的应用层协议来解决仅支持微微网的蓝牙设备在散 射网中通讯的问题、家电注册问题以及非对等层通信问题。 1 4 2 蓝牙技术在企业中的应用现状 产品质量数据通过线缆传输会存在一些问题，比如测量设备移动性差、布线 复杂、维护成本商比较高等。利用蓝牙技术来实现无线传输，使测量不局限于线 缆的束缚，能有效满足企业在传输产品质量数据时方便、灵活、低成本的要求。 目前，蓝牙技术在企业产品质量数据传输中的应用主要有，文献 2 a n 针对蓝 牙在工业现场控制中的应用，提出将蓝牙技术作为总线的传输通道，设计了一种 蓝牙网关，用于实现与工业现场中总线之间的互联。文献 2 4 】基于蓝牙标准及其 l a n 接入应用模型，给出了两种版本的蓝牙l a n 接入设备( l a p ，l a na c c 鼯s p o i n t ) ，用以实现与各种厂家生产的蓝牙设备进行互联互通。重庆宝光信息科技 有限公司在2 0 0 3 年基于蓝牙技术的车辆自动识别系统”项目，通过使用短距离无 线通信技术一蓝牙技术，将车辆信息读入主控制服务器，从而实现了车辆类型 的自动识别。重庆大学王时龙教授在2 0 0 3 年完成的蓝牙技术及代理技术在生产 系统中的应用研究颂目，提出了一种新的车间分布式动态控制系统。该系统利用 多代理技术，把工件和制造设备等映射为一个个的代理；应用蓝牙无线通信技术和 嵌入式微控制器技术研制成智能芯片，安装在工件和设备上，实现通信和智能代 理功能，实验证明，该系统对于车间任务的动态变化和部分设备故障状态变化具 有很好的适应能力。奥地利微电子公司s i m o nb r a m b l e 针对蓝牙在工业数据记录 等通信领域迅速获得普及应用，详细设计了蓝牙数据记录仪( d a t a l o g g e r ) ，该蓝牙 数据记录仪从奥地利微电子公司a s l 5 3 01 2 位模数转换器( a d c ) 获得数据，然后 通过微处理器和蓝牙链路将数据传给等待收集数据并将数据存放于电子表格中的 8 1 绪论 p c 机。 据媒体报道，国内部分汽车厂家已在轮胎气压、温度等指标的实时蓝牙传感、 监测领域做了一些研究，并在积极进行推广。质量数据传输尤其是无线传输，将 会在企业中得到广泛的应用，而具有很多优势的蓝牙技术在各种无线传输中无疑 将会发挥更大的作用。 在蓝牙产品的开发上，已经有e r i c s s o n 、c s r 、p h i l i p s 等很多公司推出 蓝牙方案。国外大公司提供的多位射频和基带部分，国内的用户在此基础上开发 自己的应用产品。其中，e r i c s s o n 作为蓝牙技术的带头人，技术上始终保持领 先地位，提供的方案也最为周全。国外许多著名公司、许多软件提供商均在 e r i c s s o n 的硬件平台上开发产品。在国内的市场上，同样是嘲c s s o n 的产品 占据绝对优势瞄】。在国内，重庆蓝牙无线技术研究所是金瓯科技旗下国内第一家 专门从事蓝牙技术研究的专业机构，该研究所已在众多行业如工矿企业、盯通信 领域、汽车电子领域提出了应用方案。该研究所设计的蓝牙c f 卡是c o m p a c t f l a s h 接口的蓝牙无线连接器，可广泛应用于工业采控领域，结合自动控制技术，蓝牙 采控模块完全取代自动控制领域监控设备与终端显示设备之间的线缆，或克服红 外技术方向性传播易受物体阻隔的缺点，使得数据传输更稳定快捷。 a b i 的一项调查显示2 0 0 5 年蓝牙设备的年出货量已达到1 4 亿件；越来越多 的企业考虑给自己的设备增加无线连接，他们也逐步意识到蓝牙技术的低功耗和 低成本解决方案是比较理想的。蓝牙技术最大的挑战是如何继续降低芯片的成本 以及相关知识产权问题，现在在国外，一个蓝牙手机专用耳机的售价是2 0 0 多美 金，比手机本身的价格还高，这必然会制约该项技术的发展并放慢其市场化的步 伐。蓝牙技术在制造业中的应用还缺乏一个标准的规范方案，迄今为止相关的研 究和应用都很滞后。根据i d g 报告显示：2 0 0 5 年，全球蓝牙芯片出货量已达到 3 1 6 亿片，预计2 0 0 9 年将达到8 6 6 亿片。未来十年，蓝牙技术将更加成熟并进 一步广泛应用于手机、电脑、车载、医疗、电教等诸多